RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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6.1.2閱讀器性能測試

閱讀器的核心指標(biāo)是靈敏度（包含載波抵消）和輸出功率，當(dāng)大家選型時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，閱讀器供應(yīng)商的射頻參數(shù)都差不多，那么怎么樣才能知道閱讀器的性能好壞呢？本節(jié)不討論閱讀器的外圍接口和支持的特殊功能，只考慮閱讀器的輸出功率、靈敏度和多標(biāo)簽性能。

01、閱讀器的輸出功率

閱讀器的輸出功率在符合射頻指標(biāo)認(rèn)證規(guī)范（6.2.2節(jié)有詳細(xì)介紹）的前提下，需要對(duì)其輸出功率的大小、精度以及工作頻率的精度進(jìn)行測試。這些參數(shù)的測量需要一臺(tái)專用設(shè)備—頻譜分析儀。

頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器，如圖6-17所示為一臺(tái)頻譜分析儀的照片。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等。

圖6-17頻譜分析儀

傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī)，輸入信號(hào)經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就是輸入信號(hào)的頻譜圖。由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率，圖6-17的頻譜范圍為9kHz到26.5GHz。頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號(hào)或調(diào)制信號(hào)，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn)，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。早期超高頻RFID閱讀器的測試中，頻譜分析儀主要的功能是測試閱讀器的輸出頻率和輸出功率。

掌握頻譜分析儀的操作后，就可以對(duì)閱讀器進(jìn)行測試了。首先需要測試其輸出功率的準(zhǔn)確性，測試流程為：將閱讀器的輸出端口通過饋線連接衰減器和頻譜分析儀的輸入接口，這里連接衰減器的原因是閱讀器的輸出功率太大，會(huì)損壞頻譜分析儀，頻譜分析儀很貴，一定要愛護(hù)。圖6-17中頻譜儀的輸入端口下面有一排警示小字，說明該射頻的輸入功率不能超過30dBm。由于閱讀器的輸出功率大多超過30dBm，因此一定要增加一個(gè)衰減器，衰減值建議為20-30dB左右。然后啟動(dòng)閱讀器發(fā)射特定功率的尋卡命令，此時(shí)頻譜分析儀的顯示屏上會(huì)顯示出信號(hào)的跳動(dòng)，記錄最大功率；改變閱讀器的輸出功率后再次發(fā)送尋卡命令并記錄頻譜儀最大示數(shù)。對(duì)于頻率精度的測試，先固定一個(gè)頻率并設(shè)置閱讀器發(fā)送載波信號(hào)，再從頻譜分析儀上記錄中心頻率。如表6-2所示為測試記錄表示例，需要在多個(gè)功率點(diǎn)和多個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行測試并記錄。

表6-2 功率和頻率測試記錄表

測試結(jié)果需要關(guān)注的主要有三個(gè)參數(shù)，分別是：輸出的最大功率，一般情況下輸出功率越大工作距離越遠(yuǎn)；功率精度，實(shí)測功率與設(shè)置功率差值越小越好；頻率精度，實(shí)測頻率與設(shè)置頻率差值越小越好。

02、閱讀器的靈敏度測試

超高頻RFID系統(tǒng)中的閱讀器靈敏度與載波泄漏關(guān)系很大，單純的通過閱讀器讀取標(biāo)簽的距離無法評(píng)測閱讀器的靈敏度，因?yàn)橄到y(tǒng)中一般情況下為標(biāo)簽?zāi)芰渴芟?，?duì)于閱讀器的靈敏度沒有指導(dǎo)意義。實(shí)際上閱讀器的靈敏度對(duì)比是與其載波抵消能力的對(duì)比，需要充分考慮不同載波泄漏下的靈敏度。市面上有一些閱讀器測試靈敏度測試的專用設(shè)備（6.2.1節(jié)介紹的NI設(shè)備就具有該功能），其方法為虛擬一個(gè)電子標(biāo)簽改變負(fù)載調(diào)制的強(qiáng)度，從而測試閱讀器的靈敏度。然而閱讀器靈敏度的關(guān)鍵點(diǎn)在于載波抵消功能，當(dāng)配套性能良好的閱讀器天線時(shí)，其靈敏度一定非常好，即使專用設(shè)備測試出靈敏度數(shù)值也沒有意義，因?yàn)閷?duì)于整個(gè)系統(tǒng)的工作距離沒有任何影響。該測試的重點(diǎn)是構(gòu)造一個(gè)不同載波泄漏的環(huán)境，在此環(huán)境下測試靈敏度。

構(gòu)造不同載波泄漏的環(huán)境有兩種方法，分別是選擇多種不同輸入反射系數(shù)的天線或制作多個(gè)不同輸入反射系數(shù)的匹配電路。此時(shí)需要使用到一臺(tái)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種能在寬頻帶內(nèi)進(jìn)行掃描測量以確定網(wǎng)絡(luò)參量的綜合性的微波測量儀器。全稱是微波網(wǎng)絡(luò)分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀是測量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一種新型儀器，可直接測量有源或無源、可逆或不可逆的雙口和單口網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)散射參數(shù)，并以掃頻方式給出各散射參數(shù)的幅度、相位頻率特性。自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀能對(duì)測量結(jié)果逐點(diǎn)進(jìn)行誤差修正，并換算出其它幾十種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如輸入反射系數(shù)、輸出反射系數(shù)、電壓駐波比、阻抗（或?qū)Ъ{）、衰減（或增益）、相移和群延時(shí)等傳輸參數(shù)以及隔離度和定向度等。如圖6-12所示，為一款網(wǎng)絡(luò)分析儀的實(shí)物照片。

圖6-18 矢量網(wǎng)絡(luò)分析照片

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自帶了一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，可以對(duì)一個(gè)頻段進(jìn)行頻率掃描。如果是單端口測量，將激勵(lì)信號(hào)加在端口上，通過測量反射回來信號(hào)的幅度和相位，就可以判斷出阻抗或者反射情況.。而對(duì)于雙端口測量，則還可以測量傳輸參數(shù)。由于受分布參數(shù)等影響明顯，網(wǎng)絡(luò)分析儀使用之前必須校準(zhǔn)。

在微波電路的設(shè)計(jì)和計(jì)算中，需要對(duì)所用元器件特性的全部網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行全面定值。而微波元器件中，包括微波晶體管，大多采用S參數(shù)（散射參數(shù)）來表述它們的特性。一般二端口網(wǎng)絡(luò)需要有四個(gè)散射參數(shù)（S11、S22、S12和S21），才能對(duì)其全面定值。因此往往采用測量的方法來確定網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。在測量閱讀器天線或匹配電路時(shí)，采用S11測量即可，代表的物理意義為輸入天線的能量中，反射回來的能量強(qiáng)度。

在超高頻RFID系統(tǒng)開發(fā)中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是非常重要的設(shè)備。尤其對(duì)于閱讀器天線開發(fā)廠商，每天都要用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

在構(gòu)造閱讀器測試環(huán)境時(shí)，由于尋找多款不同輸入反射系數(shù)的閱讀器天線非常困難，最好的方式是通過自制匹配電路的方式實(shí)現(xiàn)多種不同的載波泄漏。制作11組匹配電路，當(dāng)匹配電路連接一個(gè)固定天線（小尺寸、小增益天線）時(shí)，其天線的輸入反射系數(shù)S11從-5dB到-15dB不等（若測試不帶有載波抵消的功能的閱讀器，需要選擇從-5dB到-20dB的匹配電路），該參數(shù)需要在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀下測試得到。下一步是架設(shè)測試現(xiàn)場環(huán)境，大尺寸的微波暗室是最好的選擇，如果沒有微波暗室盡量在室外空曠的環(huán)境中進(jìn)行測試。固定閱讀器天線，設(shè)置閱讀器發(fā)送最大輸出功率，測量一個(gè)固定標(biāo)簽的最遠(yuǎn)工作距離。不斷更換匹配電路板，從-15dB開始測試，逐漸增加載波泄漏強(qiáng)度，直到-5dB。測試中使用的標(biāo)簽是一款高性能遠(yuǎn)距離的標(biāo)簽，且已知其靈敏度和反向散射強(qiáng)度的，讀者可以參照6.1.1節(jié)，使用Tagformance獲得一個(gè)標(biāo)簽的上述參數(shù)。測試結(jié)果記錄到表6-3的距離一欄中，表中的實(shí)測數(shù)據(jù)是筆者對(duì)一臺(tái)閱讀器靈敏度測試時(shí)的原始數(shù)據(jù)，作為參考。

表6-3 閱讀器性能測試記錄表

在閱讀器載波泄漏不嚴(yán)重時(shí)，系統(tǒng)的工作距離為正向受限，可以通過2-12計(jì)算出來，其中Pt為閱讀器的最大發(fā)射功率，Gt為閱讀器天線的增益，Pr為標(biāo)簽的靈敏度，λ由閱讀器的當(dāng)前工作頻率決定。讀者可以自行帶入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，看看此時(shí)計(jì)算的R是否與實(shí)測的數(shù)據(jù)相同（如果在室外測試，應(yīng)先學(xué)習(xí)6.1.3節(jié)的應(yīng)用測試方法）。如果計(jì)算數(shù)值與實(shí)測數(shù)值非常接近，則說明正向測試部分達(dá)到預(yù)期效果。若測試結(jié)果小于預(yù)期，需要查看是否因?yàn)殚L時(shí)間發(fā)射引起發(fā)熱導(dǎo)致輸出功率變小。該測試系統(tǒng)中最大輸出功率Pt=33dBm，閱讀器天線的增益為線極化Gt=2dBi，標(biāo)簽靈敏度Pr=-20dBm，工作頻率為922.5MHz，通過計(jì)算得到R=14.56米，與實(shí)測數(shù)據(jù)相似。

如表6-3所示，在最初更換匹配電路后，系統(tǒng)的工作距離不變，此時(shí)還為正向受限。當(dāng)更換輸入反射系數(shù)更大的匹配電路后，閱讀器載波泄漏越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致工作距離突然變近，此時(shí)系統(tǒng)為反向受限，其工作距離可以根據(jù)式2-11：計(jì)算出來，其中標(biāo)簽反向散射的能量為Ptag，Preader為閱讀器的靈敏度，Greader為閱讀器的天線增益，f為閱讀器的當(dāng)前工作頻率，R為表格中實(shí)測的工作距離。通過上述測試和計(jì)算，可以得到重要的閱讀器性能參數(shù)，不同載波泄漏下的靈敏度。該測試系統(tǒng)中反向散射能量為Ptag=-26dBm，閱讀器天線的增益為線極化Greader=Gt=2dBi，工作頻率f=922.5MHz，將不同S11對(duì)應(yīng)測試的距離R帶入公式后可以計(jì)算出Preader，如表6-3最后一行的靈敏度所示?？梢钥吹诫S著載波泄漏的增加，靈敏度隨之下降的情況。該特征參數(shù)是對(duì)于閱讀器靈敏度最有效的展現(xiàn)形式。

03、多標(biāo)簽性能測試

多標(biāo)簽性能是閱讀器的重要指標(biāo)，但如何評(píng)測多標(biāo)簽效果在行業(yè)中一直缺乏有效的方式，許多銷售人員口中鼓吹的多標(biāo)簽性能已經(jīng)成為一門玄學(xué)。多標(biāo)簽性能主要是由閱讀器的靈敏度和多標(biāo)簽算法（多標(biāo)簽算法詳解見3.3節(jié)）決定。主要評(píng)測標(biāo)準(zhǔn)為兩項(xiàng)，對(duì)于大量標(biāo)簽場景的讀全率以及讀全標(biāo)簽所需要的時(shí)間。

多標(biāo)簽測試最大的缺點(diǎn)是沒有一套測試標(biāo)準(zhǔn)，不同的用戶無法重現(xiàn)測試結(jié)果。只有在一些多標(biāo)簽的應(yīng)用中，幾家閱讀器廠商進(jìn)行PK的時(shí)候會(huì)在固定的場景中反復(fù)測試。當(dāng)這個(gè)場景中的標(biāo)簽或擺放位置發(fā)生變化時(shí)，之前的測試數(shù)據(jù)就沒有參考價(jià)值了，必須重新開始測試。因此提出兩種測試方法，第一種是利用標(biāo)簽板的測試環(huán)境，測試環(huán)境單一，對(duì)于實(shí)際場景的重現(xiàn)性較弱；第二種PCB板測試環(huán)境，可以做多種設(shè)置，對(duì)不同應(yīng)用場景的重現(xiàn)性較好。

針對(duì)第一種測試環(huán)境，只需要一個(gè)天線對(duì)著數(shù)量已知且全部可以激活的標(biāo)簽即可。具體實(shí)現(xiàn)方式為做幾個(gè)標(biāo)簽粘貼數(shù)量不同的泡沫白板（50個(gè)，100個(gè)，200個(gè)），固定白板與天線的距離。閱讀器連接天線后，分別對(duì)每個(gè)白板進(jìn)行識(shí)別，記錄每次盤點(diǎn)完所有標(biāo)簽需要的時(shí)間，多次記錄后取平均值。為了模擬實(shí)際場景中的弱標(biāo)簽，可以通過在標(biāo)簽天線上貼鋁箔的方式。針對(duì)標(biāo)簽板的測試環(huán)境存在的問題是，隨時(shí)間的變化，標(biāo)簽板由于老化或粘貼的問題其性能會(huì)發(fā)生改變，多標(biāo)簽測試時(shí)測試結(jié)果也會(huì)隨之改變。而且天線與標(biāo)簽板的擺放誤差也會(huì)引起測試結(jié)果的變化，重復(fù)性差的問題很嚴(yán)重。該測試方法制作簡單，操作方便，是廣大閱讀器廠商常用的測試方法。

針對(duì)標(biāo)簽板測試方法中的測試場景單一、重復(fù)性差的問題，筆者提出一種PCB的測試環(huán)境解決方案，在一個(gè)PCB板上通過微帶線的方式連接幾百個(gè)SOT或QFN封裝的標(biāo)簽芯片，微帶線上通過射頻開關(guān)連接多種不同的衰減網(wǎng)絡(luò)及選擇不同數(shù)量的標(biāo)簽。最終可以通過射頻開關(guān)選擇不同標(biāo)簽的衰減參數(shù)，從而可以模仿真實(shí)場景，同時(shí)由于系統(tǒng)是由PCB焊接的，重復(fù)性好，同時(shí)還節(jié)省空間、測試誤差小。該方案的缺點(diǎn)是制作較為復(fù)雜，沒有市場銷售價(jià)值，只能作為內(nèi)部測試使用。

多標(biāo)簽性能測試存在一定的偶然性，因此需要對(duì)同一個(gè)場景做多次測試取平均值。尤其是閱讀器存在跳頻機(jī)制，有的標(biāo)簽所在的位置有可能在某個(gè)頻點(diǎn)存在盲點(diǎn)，只有在跳頻后才有機(jī)會(huì)讀取到該標(biāo)簽。

對(duì)于閱讀器的多天線測試，在標(biāo)簽板測試方法中，需要多架設(shè)幾個(gè)閱讀器天線，在PCB測試方法中，需要在PCB板上預(yù)留多個(gè)射頻輸入接口。